Investigations of dynamic stall and dynamic stall control on helicopter airfoils

Gardner, Anthony D.

Die vorliegende Arbeit beschreibt experimentelle und numerische Untersuchungen des dynamischen Strömungsabrisses und dessen Beeinflussung bei Mach 0,3, 0,4 und 0,5 an den Profilen EDI-M109, EDI-M112 und OA209. Untersucht wurde hauptsächlich der zweidimensionale dynamische Strömungsabriss. Ebenso wurden die Einflüsse der Windkanalinterferenz, der Rotation und der Blattspitze auf den dreidimensionalen Ablauf des dynamischen Abrisses untersucht. Die dreidimensionale Krümmung der Ablösewirbel bewirkte eine Verringerung der Stärke des dynamischen Strömungsabrisses im Vergleich zum zweidimensionalen Ansatz. Diese Verringerung wurde durch Experimente mit schnell reagierender drucksensitiver Farbe (PSP) sowie Drucksensoren und mit CFD untersucht. Methoden zur Beeinflussung des dynamischen Strömungsabrisses wurden unter anderem aufgrund ihrer Fähigkeit ausgewählt, den Auftrieb in CFD-Simulationen mit statischer Strömungsablösung zu erhöhen. Die Beeinflussung des dynamischen Strömungsabrisses ist durch die Verwendung von konstantem und gepulstem Ausblasen mit Hochdruckluftdüsen in der vertikalen Richtung umgesetzt worden. Die negativen Effekte des Strömungsabrisses wurden bei allen Machzahlen deutlich reduziert. Für die Machzahlen 0,3 und 0,5 wurden optimale Werte für den reduzierten Massenstrom Cμ und den Düsenabstand bestimmt. Für Testfälle mit starkem dynamischen Strömungsabriss ergaben sich Werte im Bereich von Cμ =0,12 (M=0,3) bis Cμ =0,02 (M=0,5). Für die untersuchten Luftstrahl- konfigurationen und Testfälle war gepulstes Ausblasen nicht effektiver als konstantes Ausblasen mit dem gleichen Massenfluss. Strömungssteuerung durch Ausblasen reduzierte den Luftwiderstand für abgelöste Strömung, aber die für die Druckluft benötigte Energie war immer größer als der energetische Gewinn durch Reduktion des Widerstandes. Es gab keine Testfälle bei denen Strömungssteuerung zu einer Verringerung der Gesamtleistung führte.

Investigations into dynamic stall and dynamic stall control on airfoils are detailed using pitching airfoil experiments and numerical investigations at Mach 0.3, 0.4 and 0.5 on the airfoils EDI-M109, EDI-M112 and OA209. Two-dimensional dynamic stall was investigated, and the effects of the wind tunnel interference, rotation and the finite wing on the three-dimensional stall process were described. The curvature of the stall vortex and its effect in reducing the strength of the dynamic stall compared to a two-dimensional treatment was investigated using CFD and experiments with high-speed pressure sensitive paint (PSP) and pressure transducers. Stall control was designed based on its ability to increase the lift in CFD simulations of static stall and implemented by using constant and pulsed blowing with high-pressure air jets in the vertical direction, and the stall was demonstrated to be significantly reduced at all Mach numbers investigated. Optimal mass flux and jet spacing were found for Mach 0.3 and Mach 0.5, and depended on the test case investigated. Optima for deep stall were around Cμ =0.12 for M=0.3 and Cμ =0.02 for M=0.5. Pulsed blowing was found to be at best as effective as constant blowing with the same mass flux, for the jet configuration and test cases investigated. Flow control by blowing reduced drag for separated flow, but the energy required in compressed air to achieve this was more than the savings in drag, and no cases were found in which flow control resulted in a reduction in total power used.

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Gardner, Anthony: Investigations of dynamic stall and dynamic stall control on helicopter airfoils. Köln 2016. Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V..

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